柠檬酸络合Sol-gel法制备（Er，Y）2Ti2O7纳米晶粉末的光致发光特性

论文摘要

采用柠檬酸络合溶胶-凝胶（Sol-gel）法，以钛酸丁酯为前驱体，柠檬酸为络合剂，无水乙醇为溶剂，Y3+和Er3+分别以Y（NO3）3·5H2O、Er（NO3）3·5H2O形式引入，Y3+、E3+的mol和与Ti4+的mol比为1∶1，Er3+与Ti4+的mol比为（0.001-0.05）∶1，在700-1000℃温度范围内烧结制备了Er3+掺杂浓度为0.1-5.0 mol％的（Er，Y）2Ti2O7（EYTO）纳米晶粉末。系统分析了烧结温度、Er3+掺杂浓度对EYTO纳米晶粉末的结构及近红外、可见光区的光致发光（PL）特性的影响与作用机制。烧结温度低于800℃，EYTO相晶化程度较低，随烧结温度升高晶化程度显著提高，1000℃时获得了高结晶度的EYTO相。EYTO纳米晶粉末中的-OH基团含量随烧结温度升高逐渐减少。980 nm半导体激光器泵浦EYTO纳米晶粉末，获得近红外区1.40-1.70μm波段对应Er3+的4I13／2→4I15／2能级跃迁的PL谱，及可见光区400-750 nm波段对应(2H11／2，4S3／2)→4I15／2和4F9／2→4I15／2跃迁，波长位于552、567和678 nm的绿、红上转换发光谱。700℃烧结条件下，EYTO纳米晶粉末的近红外PL谱为半高宽112 nm的单一宽峰，800℃及更高温度烧结，其PL谱为发生Stark分裂的分立发光峰。随烧结温度升高，波长1.53μm的PL强度与荧光寿命均单调增加，归因于粉末中-OH基团的逐步脱除和EYTO相晶化程度的提高。1000℃烧结条件下，波长1.53μm的PL强度和荧光寿命，在0.1-1.5mol％Er3+浓度区间均呈现上升趋势，源于EYTO相为Er3+提供了均匀分散。在Er3+浓度1.5mol％时均达到最大值、荧光寿命为20.9 ms。当Er3+浓度超过1.5 m01％时，Er3+-Er3+间交互作用增强导致1.53μm的PL强度和荧光寿命持续下降。随烧结温度升高，EYTO纳米晶粉末的红、绿上转换发光均不断增强，同样归因于-OH基团的逐步脱除和EYTO相晶化程度的提高。随Er3+掺杂浓度增加，红光发射单调增强，绿光发射则先增强后减弱，红、绿光强度比持续增大。Er3+浓度在0.1-1.5 mol％时，Er3+通过激发态吸收跃迁到4F7／2能级，后迅速无辐射弛豫到2H11／2、4S3／2能级，2H11／2和4S3／2能级上Er3+的布居数增多，Er3+直接辐射跃迁回基态，上转换发射以绿光为主。当Er3+浓度超过1.5 mol％时，Er3+-Er3+间距缩短导致能量传递成为上转换主要途径，4F7／2与4I11／2能级上的Er3+通过合作上转换到达4F9／2能级，导致4F9／2能级Er3+布居数增多，而到达2H11／2、4S3／2能级的Er3+数目减少，红光发射持续增强，绿光发射持续减弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 稀土掺杂光波导材料研究
• 1.2 稀土上转换发光材料研究
• 3+在固体基质中的发光机制'>1.3 Er³⁺在固体基质中的发光机制
• 1.4 选题意义和目的
• 1.5 研究内容
• 2Ti₂O₇纳米晶粉末制备工艺及分析测试方法'>2 （Er，Y）₂Ti₂O₇纳米晶粉末制备工艺及分析测试方法
• 2.1 柠檬酸络合Sol-gel法
• 2.1.1 柠檬酸络合Sol-gel法原理
• 2.1.2 柠檬酸络合Sol-gel法制备流程
• 2.1.3 柠檬酸络合Sol-gel法过程的影响因素
• 2.2 分析测试方法
• 2.2.1 结构分析
• 2.2.2 光致发光特性分析
• 2Ti₂O₇结构研究'>3 （Er，Y）₂Ti₂O₇结构研究
• 3.1 分析测试方法
• 3.1.1 化学键结构分析
• 3.1.2 相变过程的热力学分析
• 3.1.3 相结构分析
• 3.2 讨论
• 3.2.1 烧结温度对-OH含量及晶粒大小的影响
• 3+浓度对相结构的影响'>3.2.2 烧结温度和Er³⁺浓度对相结构的影响
• 2Ti₂O₇纳米晶粉末近红外光致发光和上转换发光特性分析'>4 （Er，Y）₂Ti₂O₇纳米晶粉末近红外光致发光和上转换发光特性分析
• 4.1 近红外光致发光特性分析
• 4.2 上转换发光特性分析
• 4.3 烧结温度对近红外光致发光和上转换发光强度影响
• 4.3.1 近红外光致发光强度和荧光寿命大小
• 4.3.2 上转换发光强度
• 2Ti₂O₇纳米晶粉末近红外光致发光和上转换发光的动力学分析'>5 （Er，Y）₂Ti₂O₇纳米晶粉末近红外光致发光和上转换发光的动力学分析
• 5.1 近红外光致发光的影响因素
• 5.1.1 -OH基团的猝灭作用
• 3+间的能量传递'>5.1.2 Er³⁺间的能量传递
• 5.2 近红外光致发光与上转换发光的动力学分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢